第四代功率半导体「第四代半导体材料」

今天带来第四代功率半导体「第四代半导体材料」，关于第四代功率半导体「第四代半导体材料」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

随着2018年特斯拉采用碳化硅（SiC）、2020年小米在快充上使用氮化镓开始，第三代半导体经过三四十年的发展终于获得市场认可迎来发展机遇。此后，第三代半导体在新能源车、消费电子等领域快速发展开来，并逐渐从热门场景向更多拓展场景探索。

在第三代半导体发展得如火如荼之际，氧化镓、氮化铝、金刚石等第四代半导体材料也开始受到关注。其中，氧化镓( Ga2O3 )是被国际普遍关注并认可已开启产业化的第四代半导体材料。

氧化镓( Ga2O3 ) 在耐压、电流、功率、损耗等维度都有其优势，此前被用于光电领域的应用，直到2012年开始，业内对它更大的期待是用于功率器件，全球80%的研究单位都在朝着该方向发展。

日本在氧化镓研究上是最前沿的。2012年日本报道了第一颗氧化镓功率器件，2015年推出了高质量氧化镓单晶衬底、2016年推出了同质外延片，此后，基于氧化镓材料的器件研究成果开始爆发式出现。

我国氧化镓的研究则更集中于科研领域，产业化进程刚刚起步，但是进展飞速，今年我国科技部将氧化镓列入“十四五重点研发计划”，让第四代半导体获得更广泛关注。

一个材料产业的发展，需要材料、器件、模组、应用等多个环节形成完整循环。目前，第三代半导体材料已发展出完整的产业链，且向着成本不断降低的方向发展；而氧化镓则仍处于一个研究继续深入，产业化初步开始的阶段。

氧化镓想要获得产业发展，需要具备至少3个要素：一是材料成本降低，足以用于产业；二是衬底、外延、器件产业链发展完善；三是，出现示范性应用。

此前，氧化镓衬底主要采用导模法（EFG法）进行生产，由于EFG法需要在1800℃左右的高温、含氧环境下进行晶体生长，对生长环境要求很高，需要耐高温、耐氧，还不能污染晶体等特性的材料做坩埚，综合考虑性能和成本只有贵金属铱适合盛装氧化镓熔体。但一方面铱价格昂贵，价格是黄金的三倍，6英寸设备需要几公斤的铱，相当于一大块黄金，仅坩埚造价就超过600万，从大规模生产角度很难扩展设备数量，另一方面，铱只能依赖进口，给供应链带来很大风险。

值得关注的是，我国的深圳进化半导体，日本东北大学联合C&A公司都报道了无铱工艺，从关键材料端角度让低成本氧化镓成为可能，也推动整个产业链的发展进程。

本文，我们邀请了在专注于氧化镓材料的进化半导体公司CEO许照原，共同探讨第四代化合物半导体氧化镓的发展情况，正文将回答几个问题：

一，什么是氧化镓？

36氪：第四代半导体材料氧化镓相关研究最早出现于什么时候？能否简单介绍一下什么是第四代半导体？

许照原：其实我们一般不提第四代这个叫法，而是超禁带半导体材料，这些材料相对冷门，我时常将它介绍成跟氮化镓、碳化硅竞争并存的一种材料，不过有越来越多的人喜欢叫“第四代”，确实比较醒目，容易引起关注。超禁带半导体分两个方向，一是超窄禁带，禁带宽度（指被束缚的价电子产生本征激发所需要的最小能量）在零点几电子伏特（eV），比超窄禁带更窄的材料便称为导体；二是超宽禁带，如禁带宽度在4.9eV的氧化镓，以及更高的金刚石、氮化铝等，当禁带宽度超过6.2eV，基本上就是绝缘体。目前来看，超禁带半导体将会是最后一代半导体，尤其是金刚石很早就被称为“终极半导体”。

日本的研究是产业化公司带头的，一开始就朝着主要向大尺寸、高品质、低成本等方向努力，所以率先做出产业化成果。2012年，日本信息通信研究机构（NICT）报道了全球第一个氧化镓功率器件，是一颗场效应晶体管（MESFET），此后不久又报道了肖特基势垒二极管（SBD），就像2001年英飞凌发行首个碳化硅二极管一样，在全世界范围内引起关注，由此给业界打开了氧化镓新应用的大门。2015年以后，日本NCT公司陆续推出高品质的氧化镓衬底和同质外延片，为科研院所提供了基础研究材料，直接结果是，从2015年开始，科研单位关于氧化镓的论文和报道开始爆发式增长，国际上开始了氧化镓领域的疯狂竞赛。

国内对氧化镓研究其实也开始得非常早，2000年左右，我国就有单位开展相关研究了。近年来，科研院所在努力深入地探究氧化镓材料的各种特性，需要更丰富的材料来开展研究，而产业界规模化应用则需要大尺寸材料产品来提高效率并降低成本，所以氧化镓材料的国产化、低成本化呼声越来越高。一直以来我国的研究进展集中在科研机构，产业化进程比日本要缓慢，但是比美国要快得多。

到2019年，在中国半导体事业奠基人黄昆先生诞辰一百周年纪念日上，几十位院士、数百位专家共同定义了超禁带半导体，也称为第四代半导体，并以大规模实现产业应用为判定标准。目前，第三代半导体其实是指宽禁带半导体，包括碳化硅（SIC）和氮化镓(GaN)这两种禁带宽度超过3eV的材料，刚刚开始大规模应用。而第四代半导体中的超宽禁带指的是氧化镓（Ga2O3）、金刚石（Diamond） 、氮化铝（AlN） ，这些材料中只有氧化镓已经实现大尺寸突破（6英寸），预计未来3-5年可以实现大规模应用，由日本引领风潮。

36氪：第三代半导体材料已经开始迈向降低成本的阶段，而氧化镓产业链并不成熟，二者相比，氧化镓有何材料特性和优势？

市场对第三代半导体寄予厚望，是因为他们性能较好，耐高压，可用于高功率场景，且功率损耗低，具备节能优势。氧化镓成本低、节能的优点更为突出。

碳化硅相比硅基器件，其功率损耗是硅基的七分之一，节能效果很好，而氧化镓功率损耗是碳化硅的七分之一，也就是硅基器件的1/49，即2%，可以说是超大幅度节能；碳化硅常被用作功率器件，在新能源汽车上发挥节电效果，当散热较小时，可以优化散热系统，变得轻便而便宜；目前市场常用的有铜、金银等贵金属，而更好一些的材料，如石墨烯、氮化铝、金刚石等，散热效果更好，具备优化散热系统潜力；

从生长角度看，氧化镓成本很低，是唯一一个可以用熔体法生长的宽禁带半导体材料，其6寸衬底成本三五年内就可以降到1000-1500人民币，大规模生产后可以降到300元，而同样尺寸的碳化硅衬底成本大概在4000-5000元，售价超过7000元，这中间有一个巨大的成本差。

氧化镓生成晶圆衬底的速度很快，氧化镓可以采用熔体法，有些类似把筷子插进蜂蜜，再把筷子拽出来，这就已经形成了一单晶了，一个小时生长2厘米，是其他材料长速的近100倍。而在通过类似雪先融化成水、再结成冰的熔体法生成的晶体质量非常好，而气体分子沉积成晶体的过程是很慢的，品质也很难提高。

36氪：氧化镓材料可以被用于什么产品？

许照原：半导体材料的禁带越宽，需要的激活能越大，才能将电子从一个束缚的电子变成自由电子，它对波长比较长的光吸收量很少，氧化镓响应波长250~300nm，因此可以用于探测日盲紫外光，目前这个方向受到科研人员的广泛肯定。不过我们团队还是更熟悉功率应用，光电应用就期待其他团队来努力了。

日盲紫外波段的光线无法透过大气层，会被大气层直接吸收。一旦在大气层中探测到这种光线，那么它要么来源于闪电，要么来源于导弹，要么来源于战斗机，可以用该材料当作军用光线探测器。此外，在电站、加油站等场景，故障早期出现电晕放电情况时也会发出这种紫外的光，如果状况继续恶化的，它就开始发热并变成红外的光，相当于可以用氧化镓防患于未然，不过能用做这种探测的材料还蛮多的，比如氮化铝、碳化硅，氧化镓在这个应用可能还需要进一步证明它的不可取代性，不像功率领域这么简单明了。

业界对氧化镓的的开发更多还是在功率器件上，基本上80%的研究单位都在朝着功率器件的方向发展。

36氪：氧化镓具备什么材料特性，让它具备用于功率器件的潜力？

许照原：市场对于功率更高、损耗更低、成本更低、性能更好的器件的追求是永无止尽的。

功率半导体最看重的是击穿场强、导通电阻、迁移率、介电常数等参数，禁带宽度更宽的材料，天然具有更耐高温、耐辐射、耐高压、导通电阻低的特点。氧化镓的禁带宽度为4.9eV，而氮化镓为3.39eV，碳化硅为3.2eV，硅为1.1eV；在耐压能力上，氧化镓、氮化镓、碳化硅、硅的击穿场分别为8、3.3、2.5、0.3MV/cm；在评估材料特性的巴利加优值BFOM上，氧化镓、氮化镓、碳化硅、硅分别为3440、536、344、1，数值越大，导通特性就越好；不过在散热率上，氧化镓的热导率仅0.27w/cm·k，要低于氮化镓（2.1 w/cm·k）、碳化硅（2.7 w/cm·k）、硅（1.2 w/cm·k），现在工业界通过封装已经搞定散热，效果很好，所以现在基本上行里人也没有人再提热导率的事儿了。

二、氧化镓材料研究走到哪一步？

36氪：目前全球氧化镓材料研究走到了哪个进度？

许照原：这个材料特别难，直到现在，全球仅日本实现了量产。因为这个材料熔点高，1800度，还需要有氧环境，单独实现某一个还好，比如高温，碳化硅需要2300度高温，也能很好实现，但是有氧就不好办了，整个技术体系都要更换，设备要改，热场要改，保温材料，加热材料，坩埚材料，全都要换，重新摸索。那研发这个材料就需要很强的设备能力，也需要长晶基础，熟悉各种长晶工艺，再用极大的耐心去实验。

日本将氧化镓的衬底、外延、器件全都研究了一遍，并且已经实现了6英寸衬底和6英寸同质外延，这什么意思呢，就是不到十年的时间，已经追上了碳化硅四十年的进度，这就是熔体法带来的好处。他们很早就验证出这个材料在功率领域很好用，此后更多的人觉得这个材料挺好的，开始大规模采购日本的材料，一起在器件端探索，开发出新的更好规格的器件。目前，日本有两家氧化镓公司，都是从材料做到器件的IDM企业，一家公司融资了11轮，但未向市场售卖材料和器件；另一家日本公司NCT在全球市场占有率接近100%，供给了市面上几乎所有的氧化镓材料，他们用的是导模法，也就是用铱的，未来几年很快就要被淘汰掉，所以我猜他们肯定也在谋求新技术路线。他们的外延是做得最好的，领先我国很多。

在一些特定领域里，我们看到的报道是说日本已经与客户完成了初步验证，效果很好，计划从小规模实验准备转入量产阶段，预计在2023年量产。

现在大家都只知道他们用在工业，但是不知道到底在哪个场景用的，也没办法去推算特定的规格来进行同步定制的开发。只有等到它真正批量应用之后，我们才能看到它还有这样的市场，再去追随跟进了。

36氪：化合物半导体研发有什么研究难点？

许照原：材料研发本身就很难。化合物半导体涉及到物理、化学、材料学，器件端仿真等各个领域，且只能通过实验研究，需要大量经验和积累。而新材料没有现成设备，没有合适的研发环境，要重新研发装备，建设研发环境，从零干起，难度非常大，相当于为了做一份仅知道物理特性的食物，要新建厨房，把水电气做好，保证能用还安全，再琢磨用什么方法才能把菜做出来，再根据这个方法自行开发配套的厨具，实际上到最后的长晶工艺开发环节已经是最简单的了。这里面还涉及各种材料的选择、搭配，需要对不同材料在各种温度下的变化了如指掌，才可以更好地生长。

全球科技巨头在国内建了很多的芯片厂，但从不建材料厂，因为材料端的内容非常核心，且很难通过专利保护，它类似某种炒菜手法，国外厂商不会把配方、火候等要素放到别国。目前，全世界在材料端做得最好的公司在日本。

有些材料研发起步相对容易，像宽禁带材料中的金刚石，可以通过模仿它在大自然中的形成条件，去摸索生成方法，但氧化镓在自然界中并不存在，也就无从模仿，只能像炼金术一样摸索。

不过，它的产业化就相对简单。因为作为宽禁带材料，氧化镓的芯片制造过程抗干扰能力很强，可以用GaN的现成芯片产线就可以制造氧化镓器件。实际上，国际上几乎所有的研发单位都是有GaN基础，从GaN转过来的，不用新建实验环境，直接就在之前的设备上就能做氧化镓开发。看报道，最近英国一个高校买了一台氧化镓外延设备，并预计未来几个月就可以推出第一批氧化镓器件，就是因为有现成的设备可以用。

36氪：品质提升有哪些问题要解决？

许照原：一方面是材料端要提纯，再一个就是生产条件的处理和控制，包括腔室的处理，在生产过程中载气的控制等。高温环境下，温度梯度很难控制。且腔体中通常有多种材料，不同材料在高温下也会释放一些物质。如为保持温度，腔体中还需要一些保温材料，这些材料在高温下也会发生变化，难以控制在一个较好状态，因此材料熔化容易，制造单晶晶体就难；在腔体中形成底下热、上面稍冷、中间不冷不热的临界状态是真的很难。

36氪：如何评价氧化镓材料的质量？

许照原：氧化镓材料有几个特定的评估标准。一是通过X光检测XRD测晶体质量，数据越小品质越高；其次看是不是完整单晶；三是缺陷密度，有条件可以测下腐蚀坑；我们前期对自己的材料和国外的材料做了大量的分析测试，再结合长晶工艺，每一个技术条件的变化会产生什么样的结果，我们有了很细致的研究，因此我们进化半导体才能进展如此迅速，可以说在材料性质、缺陷抑制、工艺优化等方面的认知上，我们是国内领先的。

36氪：氧化镓器件类公司在发展过程中有何难点？

许照原：器件端现在其实最稀缺的资源是产线，现在国内还没有任何一条供器件公司使用的氧化镓器件工艺线。我们公司是做材料的，设备能自己研发，成本很低，就几十万，但器件端的生产设备，很成熟的一些设备全套下来可能要五千万甚至要上亿。

36氪：氧化镓器件公司可以利用现有硅产线进行生产？

许照原：它可以利用现有的功率半导体产线，比如说硅基IGBT、做LED的氮化镓、做碳化硅的产线都可以改，氧化镓是特别稳定的一种材料，它很少会受到其他材料的干扰。它只在生长中容易受到干扰，在应用中反而还好一些。

产线改造难度不大，只要工厂愿意改。目前，我们主要找一些类似于半研发机构的合作伙伴，它不依靠于这条产线赚钱，主要用这条产线摸索工艺，做一些开发，它有意愿开辟一些新方向，我们就告诉他怎么改产线，需要哪些环节，用什么样的参数，我的工艺都可以实现。后面，我们再把产品给他，他们可以开放给全部有兴趣做氧化镓器件的团队，我们也有器件研发人员，大家可以一起去做开发，把氧化镓产业链越做越完善。

三、距离产业链成熟还有多远？

36氪：国内研究氧化镓的科研院所和企业多吗？

许照原：国内半导体很多领域技术储备都是有的，但是产业化做得不够好，化合物半导体产品几乎全部是卡脖子领域，且产业化很难，需要具备资深背景的业内专家、大企业技术带头人才能更好实现产业化。

我们目前看到的情况是，进行氧化镓研究的高校和科研院所还挺多的，不过做衬底的研究团队相对要少，创业企业就是非常少，因为做材料是投入大、周期长、门槛高的环节，几乎没有技术积累的企业，是很难做出成果的，一般是需要国家在前期进行课题经费支持。国内氧化镓材料以中电科四十六所、山东大学、深圳进化半导体、中科院上海光机所、北京镓族科技、杭州富加镓业等单位为主力。

36氪：氧化镓有衬底、外延、器件三个产品种类，企业一般是只研发其中一种，还是都研发？

许照原：理论上只研发某一个环节就够了，以碳化硅领域为例，做衬底的有山东天岳、天科合达、河北同光、山西烁科晶体等，他们基本上只做衬底也就够了；外延端比如说瀚天天成、东莞天域等等，只做外延；器件端的就是泰科天润、绿能芯创这些公司，甚至还有一类的是器件制造公司专门给其他人代工叫Foundry，下面还有叫器件设计公司Fabless，自己不建厂，别人有工厂后，我开发的器件让他生产。

化合物半导体行业规律是，合-分-合。刚开始新材料出现，没人验证好坏，只能自己从衬底到外延到器件都干了，验证材料是好材料，然后出现每个环节的优势团队，行业越成熟，环节就会越细分、专业。但是最后又会逐渐整合，因为化合物半导体中都是know how（技术机密）为主，不像集成电路以IP（知识产权）为主，所以为了保护技术机密，保证产业链供应，优势企业就开始并购，把各个环节补全，像日本罗姆，欧洲的意法半导体，都是典型代表。现在第三代半导体仍处于野蛮生长状态，有的人我能干的全干了比如Cree（现在叫Wolfspeed），有的人只干一个环节也能生存得很好，不需要全产业链都干。

但现在氧化镓还没有分化出来，一个公司必须从头干到尾。新材料企业在发展上会有这样的困境，这对团队的要求很高，得有研发能力，有足够的资源整合能力，还要有足够的钱，扛到这个材料火起来。

36氪：到目前为止，大多数从业者的关注点还在第三代半导体上，您认为第四代半导体何时会获得关注？

许照原：对一个产业链来说，必须具备全部环节，才能有好的协同。如果要真正地从应用、需求端把整个产业链带起来，就要有好的器件，有示范性应用，如特斯拉在Model 3上用碳化硅，小米在快充上用氮化镓。如果有一天氧化镓做出来很好的规格，你可能发现在比如说有没有哪个领域，用氧化镓便宜、性能好、没有安全隐患，那第四代半导体的时代就到来了。

示范性应用起来后，大家觉得市场端没问题，就会开始批量生产。而批量生产的一个基础在于，供应链上游要供得上。器件制造的供应链是外延，外延的供应链是衬底，我们尽量从材料出发，团结更多的产业链公司和单位，共同促进氧化镓产业化。

我们预计明年会出现一个真正杀手级的应用，最早可能出现在日本。我们认为，氧化镓的产业链马上要成熟了，有市场的未来和前景。

36氪：在您看来，氧化镓最早会在哪个领域落地？在此之前整个产业需要具备哪些条件？

许照原：我们认为最早可能会出现在快充和工业电源上。它的市场门槛比较低，不像汽车，可能需要拿很多资质。这些领域（快充和工业电源）属于你的性能ok、成本够低，就能用，且他们对可靠性有需求，而氧化镓的可靠性天然非常好。

汽车会是它未来的爆发点，但不会是率先应用。其实和碳化硅一样，碳化硅最早是用在光伏逆变器、工业电源，直到特斯拉用到车上，它才爆起来。所以行里话叫，“碳化硅摸着石头过河，氧化镓摸着碳化硅过河”，碳化硅发展了40年，氧化镓用了不到10年的工夫就已经发展到了接近于碳化硅发展35年左右的进度。

36氪：第四代半导体材料会第三代存在合作可能吗？

许照原：会合作的。氧化镓和GaN的晶格失配很小，可以在氮化镓上长高品质的氧化镓外延层，有很多团队都在做这方面工作，也报道了非常漂亮的成果，只要氧化镓成本降下来，有成为继Si和蓝宝石以后的第三种平台型衬底材料的潜力，相当于可以借着氮化镓发展，这是一个可以合作的点，但会和碳化硅有一定的竞争，都在力争挑战硅基器件的传统地位。

36氪：现在，第四代半导体氧化镓产业有何发展突破吗？

许照原：氧化镓的材料制备刚刚实现突破。如果我们把做器件、做应用比作炒饭，那前提是你得有米，之前这个米想把它种出来都非常困难，也就没办法大规模应用。目前一个比较大的突破是，我们找到了低成本制造氧化镓材料的可能。

目前，市面上主流的能制备单晶材料的方法有导模法（EFG法）、提拉法、焰熔法、浮区法等，其中，EFG法是当前唯一能制造大尺寸氧化镓衬底的工艺，已经有单位能根据该方法制造出6英寸的样品。几乎供应了全球100%的氧化镓衬底的日本NCT公司，采用的便是EFG法。

不过，EFG法需要在接近1800℃的高温、含氧环境下进行晶体生长，对盛放熔体的坩埚要求很高，需要耐高温、耐氧，还不能污染晶体等特性的材料，目前性能和成本比较合适的只有贵金属铱，但铱非常昂贵。

业内一直期待无铱工艺的出现。我们2021年06月就在业内介绍了无铱法制备氧化镓方法。2022年04月，日本东北大学联合C&A公司也报道了无铱工艺的2英寸衬底，看介绍跟我们多种无铱技术路线中的一条异曲同工，能把价格做到跟硅和蓝宝石接近的价格。总之这种技术意味着，低成本氧化镓进入市场已经具备可能。

36氪：那进化半导体的技术积累是什么？

许照原 ：我们的技术团队是非常资深，有一位核心成员是化合物半导体材料专家，掌握很多技术，填补了多个半导体材料的国内空白，氧化镓产业化领域我觉得他应该是最权威的吧。他从2014年就开始搞氧化镓，2016年国内最早做出来2寸氧化镓，2018年国内最早做出4寸氧化镓，也是国内唯一做出来4寸的，到目前为止还是国内的记录保持者，在各种文献中看提到我国做出4英寸氧化镓材料的，那其实就是他，只是不提他名字而已。2017年他牵头撰写了国内氧化镓唯一的行业标准，所以他在行业内还是很权威的。

他有这么多年的刻苦钻研，上千次实验，对氧化镓里里外外都琢磨通透了，才能开发出我们创新的无铱工艺，现在我们已经做出来了5寸材料，正在向更大尺寸研发。想有创新，就必须要经过这么多种材料，这么多工艺，这么多次实验的折磨才能突破，做材料没有抖机灵成功的，没有晶体经验就说自己能做的，要么是骗子，要么是小偷，要知道，上千次实验在晶体领域是很惊人的，因为每次升温降温至少要一两天，几乎每一两天就要通宵，做晶体材料非常辛苦。

36氪：进化半导体位于氧化镓产业链的哪一环？

许照原 ：我们现在最擅长的是做材料。在整个化合物半导体产业链里，最稀缺的是材料——价值最高，壁垒最高。材料是基础科学，它不是一种能模仿来的技术环节，必须对它的机理有足够的了解，有足够的实验形成know how，然后去做出来。

此外，化合物产品成本上，有一半来自衬底，20%~30%来源于外延，剩下是晶圆的制造和封装测试等环节。晶圆制造投资大且难，但相应带来的价值却没有那么高。

不过 ，目前由于整个产业链尚未成熟，也并未出现一个示范性的应用，大部分公司还处于将信将疑或观望态度，不会主动试产器件，所以我们现在是前期也在联合合作伙伴努力打通衬底、外延、器件三个环节，让大家看到这确实是好东西，等下游市场起来后，我们再继续努力降低材料价格，提供充足的高品质基础材料，让愿意去做快充的做快充，做新能源车逆变器的去做逆变器，做光伏的的去做光伏。

36氪：目前进化半导体的氧化镓材料研究走到了哪一步？

许照原 ：公司成立不到一年，我们已经研发了6寸的无铱法长晶设备，应该也是国内首台6英寸氧化镓专用设备。我们正在开发6英寸的氧化镓材料，今年应该可以实现2英寸材料的小批量供应。目前阶段，我们是国内新记录的创造者和保持者（5英寸），我们也努力研发，加强技术优势。等我们做出来6寸了，也会给业界更大的信心。

我们已经跟客户沟通了所需产品规格，计划第一步是先满足客户需求，实现送样和小批量供应，同时继续做更大尺寸材料的研发，为大规模产业应用做好准备，商务和研发两条腿走路。

36氪：按目前的研发进度看，公司材料何时能在产品中真正试用，离成品阶段还有多久？

许照原 ：我们研发还是比较顺利的，今年下半年就会开始供应衬底，从小尺寸开始卖。现在下游需要的用小尺寸材料做开发，而非用大尺寸做量产，我们要适应客户的需求。

我们已经拿到了多家客户的产品规格要求，7月份就可以开始送样，跟客户合作改进产品，等规格稳定后，就开始大规模量产。我们为大家供给充足的原材料。他们向日本公司购买会有货期长、价格贵的缺点；我们一方面产品价格更便宜，二是可以配合客户需求做参数调整，有了客户第一手进度信息，我们也可以很好地做产能规划，提前进行相关的扩产准备。